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Power Integrations 推出的新型控制器 IC 可将移动电话充电器所需的组件数目减少 30%，并将无负载功耗缩减为 30 mW
近期的世界局势及能源价格的持续上涨使人们更加关注能源消耗问题及家用电器的能效问题。随着便携式电子制品 (媒体播放器、PDA、移动电话等) 使用量的日益增加，外部电源供应器 (EPS) 或电池充电器开始占据住宅内的电源插座。EPS 的总耗电量已在住宅总耗电量中占相当大比例，引起了监管当局的重视。
移动电话充电器能效与功耗规格越加严格
包括欧洲行为准则与能源之星在内的各组织机构不断提出更为严格的能效与无负载功耗要求。五大主要移动电话制造商 (Nokia、Samsung、Sony Ericsson、Motorola 及 LG Electronics) 已采取进一步行动，共同制定了移动电话充电器星级评等系统。若要达成期望的五星级目标，充电器在无负载模式下的功耗不得超出 0.03 W (30 mW)，此为 ENERGY STAR EPS v2.0 规范1目前所规定限制的1/10。超低的无负载能耗已成为行业必须达到的标准，并且已被视作展现良好的企业公民意识及吸引具生态环保意识的消费者的一种方法，而并非纯粹由政府推行的政策。
对于“工作能效”这一另一重要能耗参数，能源之星规范依据以额定功率为基数的对数公式为介于 1 W ～ 50 W 之间的外部电源规定了最小工作能效值。对于 1 W 电源，最小能效要求为 62%，对于 50 W 电源，最小能效要求则上升为 87%。对于 5 V/500 mA (2.5 W) 电源，最小能效要求为 65%。
不断制定更为严格的规范为电子制品设计者带来更多新的挑战。EPS 不仅必须满足无负载条件下功耗最小以及工作时能达到理想的能效，还必须能够在所有组件容差范围内以及在整个温度范围内提供良好的负载与线性调节，同时还符合 EMI 标准并能够以具竞争优势的成本制造。
解决方案技术说明
为协助符合这些较为严格的要求，Power Integrations Inc (PI) 近期在其整合切换开关 IC 产品系列中引入新型 LinkSwitch-II2 产品，专用于 EPS/充电器。该装置具有定电压/定电流 (CV/CC) 特性，适用于电池充电及 LED 驱动应用。LinkSwitch-II 在变压器中独一无二地采用了绕组，既可提供回授，又可进行低压供电。这免除了使用电流感测电阻以及许多其它组件，并使整个 EPS 在无负载条件下功耗仅为 30 mW。
移动电话 EPS 通常每天仅为移动电话充电 1 小时，但因常常不将其从电源插座上拔下而在每天的剩余 23 小时内处于无负载模式。因此，许多移动电话制造商致力于开发无负载效能明显超出能源之星规范要求的 EPS。尽管与输送的功率相比，无负载功耗很小，但累加后的总能耗确相当大。LinkSwitch-II 装置能够节约大量能源并能超出能源之星规范的要求，2.75 W 电源的工作能效可达 74%。图 1 详细说明了此种电路，Power Integrations 的设计实例 DI-1573 中也作了说明。表 1 中说明了无负载功耗的重要性，将 PI 2.75 W 设计的效能与刚满足 ENERGY STAR EPS v2.0 的电源进行了比较。
透过表 1 可以看出，2.52 kWh 的无负载年度功耗超出 PI 电源供应器无负载效能所节省的2.46 kWh 能源。图 1 中展示的电源供应器的功能及其实现节能的方式在下文中作了介绍。
LinkSwitch-II 控制器 U1 是此设计的关键所在。该装置在单芯片 IC 上整合了一个 700 V 功率 MOSFET、新型开/关控制状态机、用于自偏压的高压切换开关电流源、频率抖动、逐周期限电流以及迟滞过热关机电路。它透过在隔离式设计中免除使用昂贵的光耦合器以及二次侧控制电路，大幅简化了低功率 CV/CC 充电器的设计。该装置使用创新的控制技术提供容差为 ±5% 的输出电压及容差为 ±10% 的电流调节，进而补偿变压器和内部参数容差随输入电压的变化。
在 CV 阶段，输出电压使用开/关控制调节，透过跳过切换开关周期进行保持。透过调节启用与停用周期的比率来实现稳压。这还可以最佳化整个负载范围内转换器 (converter) 的能效。轻载 (涓流充电) 条件下，会减小限电流以增加变压器磁通密度，进而减小噪声和切换开关损失。随着负载电流的增大，限电流会增大并且跳过的周期会减少。
当不再跳过任何切换开关周期时 (达到最大功率点)，LinkSwitch-II 中的控制器转入 CC 模式。需要进一步增大负载电流时，输出电压会随之下降。输出电压的这种下降会反应在 FB 接脚电压上。由于 FB 接脚电压的下降，切换开关频率会线性下降以实现恒定的输出电流。
在 AC 电源供应器输入端，可熔防火绕线电阻 RF1 可提供严重故障安全保护，并可限制启动时产生的浪涌电流。由 L1、C1 与 C2 形成的 π 滤波器对整流电压进行平滑，并削减传导性差模 EMI。
由 D5、R2、R3 与 C3 形成的 RCD-R 箝位电路可限制漏电感引起的汲极电压突波。电阻 R3 具有相对较大的值，可防止由漏电感引起的汲极电压波形振荡。这样可以防止关闭期间的过渡振荡，进而降低传导性 EMI。Power Integrations 的变压器 E-shield 技术可进一步降低 EMI，该技术是在主绕组与铁芯之间增加一个绕组，用来遮蔽铁芯减少电容耦合。在 T1 中，此遮蔽绕组位于终端 4 与 NC 之间。
在此设计中，制造容差最差的组件可能是变压器。不过，在一次侧磁化电感过高或过低时，转换器 (converter) 将透过调节振荡器频率自动对其进行补偿。由于此控制器用于在不连续导通模式下工作，因此输出功率与设定的一次侧电感直接成比例，并且可透过调节切换开关频率对其容差进行完全补偿。
二极管 D7 对二次侧进行整流，C7 进行滤波。D7 使用 40 V 萧特基势垒二极管来提供更高能效。如果可接受较低能效，则可以使用 1 A PN 接面二极管来降低成本。C6 与 R7 用于限制 D7 上的瞬时电压突波，并降低传导性与辐射性 EMI。设计中采用了 EMI 滤波与遮蔽措施，能以较大余裕满足 EN55022 B 级标准。
电阻 R8 与稽纳二极管 VR1 形成输出预载，进而确保无负载条件下输出电压能保持在可接受范围内。可并入积纳二极管来限制电池的自放电，但如果没有此要求，则可以省去该组件。回授电阻 R5 与 R6 设定 CV 阶段的最大工作频率与输出电压。
D6、R4 与 C5 为 U1 形成一个可选偏压电源。这样可以对 U1 进行低压供电，进而使 EPS 的无负载功耗达到 30 mW。如果省去这些组件，U1 则会从高压一次侧取得电源，在这种情况下，无负载功耗增大为200 mW，但仍符合 ENERGY STAR EPS v2.0 规范的要求。如果不要求达到超低无负载功耗，设计者可省去偏压电路来节省成本。
C4 用于对 U1 进行去耦合并控制输出缆线补偿功能。这种补偿可在 CV 模式下整个负载范围内，在缆线末端提供恒定输出电压。随着转换器 (converter) 负载从无负载增加到峰值功率点 (CV 与 CC 之间的转换点)，输出缆线中产生的压降透过 FB 接脚参考电压的增加来进行补偿。控制器可根据状态机的输出来确定输出负载及相应的补偿程度。1 μF 的值对应一条 0.3 Ω、24 AWG USB 输出缆线的补偿。(10 μF 电容对 0.49 Ω、26 AWG USB 输出缆线进行补偿。)
图2：说明了25℃条件下对整个输入电压范围内的输出电压与电流的严格控制。图2所示的 LinkSwitch-II 的输出容差是以 P/G 封装在 0℃～ 100℃ 的接面温度范围内指定的。
LinkSwitch-II 已为低功率外部电源供应器的效能、能效及成本设定了新的标准。LinkSwitch-II 中的多项控制与保护功能化解了设计切换开关电源供应器过程中常见的难题，并确保了在大批量制造过程中其效能的稳定性。有关参考配套设计及应用支持，请造访 www.powerint.com。
参考数据
1. ENERGY STAR v2.0 外部电源供应器 (EPS) 规范生效日期为 2008 年 11 月 1 日。美国环保署。
2. LNK603-606/613-616 LinkSwitch-II 系列节能型精确 CV/CC 切换开关，专用于转换器 (Adapter) 与充电器。Power Integrations Inc.
3. DI-157 设计实例 LinkSwitch-II 2.75 W USB 充电器。Power Integrations Inc.
关于作者
Silvestro Fimiani 是 Power Integrations (PI) 针对电器与工业应用方面的产品行销经理。于 2005 年加入 PI 之前，Silvestro 曾担任 International Rectifier 公司高功率产品的工程主管工作。他曾获得意大利那不勒斯大学物理专业学士学位。
近期的世界局势及能源价格的持续上涨使人们更加关注能源消耗问题及家用电器的能效问题。随着便携式电子制品 (媒体播放器、PDA、移动电话等) 使用量的日益增加，外部电源供应器 (EPS) 或电池充电器开始占据住宅内的电源插座。EPS 的总耗电量已在住宅总耗电量中占相当大比例，引起了监管当局的重视。
移动电话充电器能效与功耗规格越加严格
包括欧洲行为准则与能源之星在内的各组织机构不断提出更为严格的能效与无负载功耗要求。五大主要移动电话制造商 (Nokia、Samsung、Sony Ericsson、Motorola 及 LG Electronics) 已采取进一步行动，共同制定了移动电话充电器星级评等系统。若要达成期望的五星级目标，充电器在无负载模式下的功耗不得超出 0.03 W (30 mW)，此为 ENERGY STAR EPS v2.0 规范1目前所规定限制的1/10。超低的无负载能耗已成为行业必须达到的标准，并且已被视作展现良好的企业公民意识及吸引具生态环保意识的消费者的一种方法，而并非纯粹由政府推行的政策。
对于“工作能效”这一另一重要能耗参数，能源之星规范依据以额定功率为基数的对数公式为介于 1 W ～ 50 W 之间的外部电源规定了最小工作能效值。对于 1 W 电源，最小能效要求为 62%，对于 50 W 电源，最小能效要求则上升为 87%。对于 5 V/500 mA (2.5 W) 电源，最小能效要求为 65%。
不断制定更为严格的规范为电子制品设计者带来更多新的挑战。EPS 不仅必须满足无负载条件下功耗最小以及工作时能达到理想的能效，还必须能够在所有组件容差范围内以及在整个温度范围内提供良好的负载与线性调节，同时还符合 EMI 标准并能够以具竞争优势的成本制造。
解决方案技术说明
为协助符合这些较为严格的要求，Power Integrations Inc (PI) 近期在其整合切换开关 IC 产品系列中引入新型 LinkSwitch-II2 产品，专用于 EPS/充电器。该装置具有定电压/定电流 (CV/CC) 特性，适用于电池充电及 LED 驱动应用。LinkSwitch-II 在变压器中独一无二地采用了绕组，既可提供回授，又可进行低压供电。这免除了使用电流感测电阻以及许多其它组件，并使整个 EPS 在无负载条件下功耗仅为 30 mW。
移动电话 EPS 通常每天仅为移动电话充电 1 小时，但因常常不将其从电源插座上拔下而在每天的剩余 23 小时内处于无负载模式。因此，许多移动电话制造商致力于开发无负载效能明显超出能源之星规范要求的 EPS。尽管与输送的功率相比，无负载功耗很小，但累加后的总能耗确相当大。LinkSwitch-II 装置能够节约大量能源并能超出能源之星规范的要求，2.75 W 电源的工作能效可达 74%。图 1 详细说明了此种电路，Power Integrations 的设计实例 DI-1573 中也作了说明。表 1 中说明了无负载功耗的重要性，将 PI 2.75 W 设计的效能与刚满足 ENERGY STAR EPS v2.0 的电源进行了比较。
透过表 1 可以看出，2.52 kWh 的无负载年度功耗超出 PI 电源供应器无负载效能所节省的2.46 kWh 能源。图 1 中展示的电源供应器的功能及其实现节能的方式在下文中作了介绍。
LinkSwitch-II 控制器 U1 是此设计的关键所在。该装置在单芯片 IC 上整合了一个 700 V 功率 MOSFET、新型开/关控制状态机、用于自偏压的高压切换开关电流源、频率抖动、逐周期限电流以及迟滞过热关机电路。它透过在隔离式设计中免除使用昂贵的光耦合器以及二次侧控制电路，大幅简化了低功率 CV/CC 充电器的设计。该装置使用创新的控制技术提供容差为 ±5% 的输出电压及容差为 ±10% 的电流调节，进而补偿变压器和内部参数容差随输入电压的变化。
在 CV 阶段，输出电压使用开/关控制调节，透过跳过切换开关周期进行保持。透过调节启用与停用周期的比率来实现稳压。这还可以最佳化整个负载范围内转换器 (converter) 的能效。轻载 (涓流充电) 条件下，会减小限电流以增加变压器磁通密度，进而减小噪声和切换开关损失。随着负载电流的增大，限电流会增大并且跳过的周期会减少。
当不再跳过任何切换开关周期时 (达到最大功率点)，LinkSwitch-II 中的控制器转入 CC 模式。需要进一步增大负载电流时，输出电压会随之下降。输出电压的这种下降会反应在 FB 接脚电压上。由于 FB 接脚电压的下降，切换开关频率会线性下降以实现恒定的输出电流。
在 AC 电源供应器输入端，可熔防火绕线电阻 RF1 可提供严重故障安全保护，并可限制启动时产生的浪涌电流。由 L1、C1 与 C2 形成的 π 滤波器对整流电压进行平滑，并削减传导性差模 EMI。
由 D5、R2、R3 与 C3 形成的 RCD-R 箝位电路可限制漏电感引起的汲极电压突波。电阻 R3 具有相对较大的值，可防止由漏电感引起的汲极电压波形振荡。这样可以防止关闭期间的过渡振荡，进而降低传导性 EMI。Power Integrations 的变压器 E-shield 技术可进一步降低 EMI，该技术是在主绕组与铁芯之间增加一个绕组，用来遮蔽铁芯减少电容耦合。在 T1 中，此遮蔽绕组位于终端 4 与 NC 之间。
在此设计中，制造容差最差的组件可能是变压器。不过，在一次侧磁化电感过高或过低时，转换器 (converter) 将透过调节振荡器频率自动对其进行补偿。由于此控制器用于在不连续导通模式下工作，因此输出功率与设定的一次侧电感直接成比例，并且可透过调节切换开关频率对其容差进行完全补偿。
二极管 D7 对二次侧进行整流，C7 进行滤波。D7 使用 40 V 萧特基势垒二极管来提供更高能效。如果可接受较低能效，则可以使用 1 A PN 接面二极管来降低成本。C6 与 R7 用于限制 D7 上的瞬时电压突波，并降低传导性与辐射性 EMI。设计中采用了 EMI 滤波与遮蔽措施，能以较大余裕满足 EN55022 B 级标准。
电阻 R8 与稽纳二极管 VR1 形成输出预载，进而确保无负载条件下输出电压能保持在可接受范围内。可并入积纳二极管来限制电池的自放电，但如果没有此要求，则可以省去该组件。回授电阻 R5 与 R6 设定 CV 阶段的最大工作频率与输出电压。
D6、R4 与 C5 为 U1 形成一个可选偏压电源。这样可以对 U1 进行低压供电，进而使 EPS 的无负载功耗达到 30 mW。如果省去这些组件，U1 则会从高压一次侧取得电源，在这种情况下，无负载功耗增大为200 mW，但仍符合 ENERGY STAR EPS v2.0 规范的要求。如果不要求达到超低无负载功耗，设计者可省去偏压电路来节省成本。
C4 用于对 U1 进行去耦合并控制输出缆线补偿功能。这种补偿可在 CV 模式下整个负载范围内，在缆线末端提供恒定输出电压。随着转换器 (converter) 负载从无负载增加到峰值功率点 (CV 与 CC 之间的转换点)，输出缆线中产生的压降透过 FB 接脚参考电压的增加来进行补偿。控制器可根据状态机的输出来确定输出负载及相应的补偿程度。1 μF 的值对应一条 0.3 Ω、24 AWG USB 输出缆线的补偿。(10 μF 电容对 0.49 Ω、26 AWG USB 输出缆线进行补偿。)
图2：说明了25℃条件下对整个输入电压范围内的输出电压与电流的严格控制。图2所示的 LinkSwitch-II 的输出容差是以 P/G 封装在 0℃～ 100℃ 的接面温度范围内指定的。
LinkSwitch-II 已为低功率外部电源供应器的效能、能效及成本设定了新的标准。LinkSwitch-II 中的多项控制与保护功能化解了设计切换开关电源供应器过程中常见的难题，并确保了在大批量制造过程中其效能的稳定性。有关参考配套设计及应用支持，请造访 www.powerint.com。
参考数据
1. ENERGY STAR v2.0 外部电源供应器 (EPS) 规范生效日期为 2008 年 11 月 1 日。美国环保署。
2. LNK603-606/613-616 LinkSwitch-II 系列节能型精确 CV/CC 切换开关，专用于转换器 (Adapter) 与充电器。Power Integrations Inc.
3. DI-157 设计实例 LinkSwitch-II 2.75 W USB 充电器。Power Integrations Inc.
关于作者
Silvestro Fimiani 是 Power Integrations (PI) 针对电器与工业应用方面的产品行销经理。于 2005 年加入 PI 之前，Silvestro 曾担任 International Rectifier 公司高功率产品的工程主管工作。他曾获得意大利那不勒斯大学物理专业学士学位。